Leichtbau 3D-Druck verspricht Freiheit für den Leichtbau

Die 3D-Druckverfahren sind in der Industrie angekommen. Die Palette der Anwendungen reicht von Prototypen bis zu kleinen Serienfertigungen. Am spannendsten beim 3D-Druck ist jedoch, dass diese Technik vollkommen neue Gestaltungsspielräume eröffnet.

Spezialanwendungen wie Leichtbau und bauraumoptimierte Konstruktionen sind laut VDMA vielversprechende Aktionsfelder für die generativen Verfahren. Konstrukteure können damit die Leistungsfähigkeit von Baugruppen deutlich erhöhen.

Insbesondere die Flugzeugbauer haben das Potenzial des 3D-Drucks zur Gewichtsreduktion erkannt. So hat beispielsweise Airbus schon 2013 ein Abkommen mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) geschlossen, um am Forschungsinstitut entwickelte Leichtbaustrukturen für die Flugzeuge einzusetzen. Nach eigenen Angaben will das Unternehmen die traditionelle Flugzeugbauweise radikal infrage stellen und setzt dabei auch auf 3D-Druck, um Kosten und Gewicht zu sparen – ausdrücklich auch für große Bauteile.

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Erste Bauteile mit 3D-Druck zur Gewichtseinsparung realisiert

Ein konkretes Beispiel dafür gibt es auch schon: Verbindungselemente, Brackets genannt, im Airbus A350 XWB, werden nicht mehr aus Aluminium gefräst, sondern mit selektivem Laserschmelzen aus Titan hergestellt. Das bringt laut dem Unternehmen Concept Laser eine Gewichtseinsparung von rund 30 %. Weil eine neue Flugzeugkonstruktion Tausende von Flight Test Installation Brackets mit Kleinststückzahlen erfordert, kann der 3D-Druck seine Stärken ausspielen, indem er es den Konstrukteuren ermöglicht, neue Strukturen zu entwerfen.

Darüber hinaus bietet die additive Fertigung mit dem Laser eine höhere Gestaltungsfreiheit im Vergleich zu konventionellen Fertigungsstrategien. So können auch Hinterschnitte und innen liegende Kanäle, zum Beispiel Kühlkanäle, gefertigt werden. Prof. Claus Emmelmann, CEO der Laser Zentrum Nord GmbH in Hamburg, sagt: „Große Potenziale sehe ich insbesondere für Strukturbauteile von Abmessungen bis zu 1 m sowie für Bauteile im Triebwerksbereich.“ Bis zu den Grenzen der Physik ließen sich zukünftig aber auch noch Fügemethoden denken, um die Bauteilgröße zu steigern. Der Clou bleibe: Es könnten erstmals bislang unbekannte Geometrien mit Funktionalitäten verknüpft werden.

Selektives Laserschmelzen kann sicherheitsrelevante Bauteile verbessern

Generell ist laut Concept Laser die Laserschmelztechnik in der Lage, sicherheitsrelevante Bauteile zu entwickeln, die besser, leichter und langlebiger sind als die Bauteile von heute. Unterschiedlich seien außerdem die Materialeigenschaften. „Laseradditiv gefertigte Werkstoffe weisen eine höhere Festigkeit bei gleichzeitig geringerer Duktilität auf, die aber durch die richtige Wärmebehandlung auch wieder gesteigert werden kann“, erläutert Emmelmann.

Durch das Laserschmelzen mit Metallen würden feinste, sogar knochenartige, also poröse Strukturen herstellbar. „Zukünftige Flugzeugbauteile werden daher bionisch aussehen“, glaubt Emmelmann. Solche der Natur abgeschauten Teile würden bei Airbus derzeit hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit analysiert. Mittels intelligenter Belichtungsstrategien des Lasers könne dieser ein Bauteil gezielt beaufschlagen, sodass es mit der geforderten Struktur, Festigkeit und Oberflächengüte genau gefertigt werden könne. Peter Sander, Leiter Emerging Technologies & Concepts bei Airbus in Hamburg, sagt: „Erste Prototypen zeigen große Potenziale einer bionisch motivierten Vorgehensweise unter Einbeziehung aller relevanten Sicherheitsanforderungen. Das Verfahren dürfte eine Art Paradigmenwechsel in Konstruktion und Fertigung auslösen.“

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